Leistungsfaktorkorrektur

Der Leistungsfaktor einer Wechselstromschaltung ist das Verhältnis der momentanen Wirkleistung, die von einer elektrischen Last verbraucht wird, zur Scheinleistung. Sie ist ein Maß dafür, wie effektiv Energie übertragen und genutzt wird, wenn Lasten an ein Stromnetz angeschlossen sind.

\[Leistungsfaktor = \frac{Wirkleistung \; (kW)}{Scheinleistung \; (kVA)}\]

In einer rein linearen Schaltung gilt:

\[Leistungsfaktor = cosθ\]

wobei \(θ\) der Winkel zwischen der Wirkleistung und der Scheinleistung im folgenden Zeigerdiagramm ist.

Ein Leistungsfaktor näher an 1 bedeutet eine maximale Ausnutzung des aus dem Netz aufgenommenen Stroms. Ein niedriger Leistungsfaktor weist auf induktive oder kapazitive Elemente in der Schaltung hin, die bewirken, dass der aufgenommene Strom der Spannung nach- bzw. voreilt, was die für die Last verfügbare momentane Wirkleistung verringert und unnötige Stromkapazität an den Kabeln verbraucht.

Bei nichtlinearen Schaltungen wird der Leistungsfaktor durch eine zusätzliche Verzerrungskomponente beeinflusst, die sich aus den Oberwellen (dem Klirrfaktor) im Netzstrom ergibt.

\[Leistungsfaktor = cosθ * \frac{1} {\sqrt {1 + Klirrfaktor^2}}\]

Beispielsweise werden elektrische Stromverbraucher wie Schaltnetzteile aufgrund ihrer Vorteile in Bezug auf Größe, Kosten und Effizienz häufig eingesetzt. Ein Nachteil eines Schaltnetzteils ohne Leistungsfaktorkorrektur ist jedoch, dass es diese Oberwellen durch das Schalten von Halbleitergeräten wie MOSFETs in das Stromnetz einbringt. Dies erhöht den Klirrfaktor des Laststroms und verringert damit die Stromqualität.

Ingenieure verwenden verschiedene Techniken, um die Stromqualität für solche elektrischen Anlagen zu verbessern. Die Verbesserung des Leistungsfaktors für lineare Lasten kann durch eine Blindleistungskompensation der vor- oder nacheilenden VARs erreicht werden. Nichtlineare Lasten, die Oberwellen erzeugen, erfordern jedoch Leistungsfaktorkorrektur-Techniken wie abgestimmte oder aktive Oberschwingungsfilter, die diese Oberwellen verringern und die Stromqualität verbessern. Solche Leistungsfaktorkorrektur-Techniken basieren auf der Verwendung von Leistungselektronik, die über analoge oder digitale Regler gesteuert werden.

Wenn Sie eine digitale Regelung für die Leistungsfaktorkorrektur mit Simulink^® entwerfen, können Sie die Multiraten-Simulation zum Entwurf und zur Abstimmung digitaler Regelungsalgorithmen nutzen. So können Sie die Eingangsstrom-Wellenformen genau anpassen, was Verluste gering hält und gleichzeitig die Stromqualität auf einen gewünschten Wert verbessert. Mit diesem Ansatz können Sie außerdem Regelungen für unterschiedliche Lasten und Eingangsspannungen testen und verifizieren, bevor Sie die Regelungsalgorithmen auf Hardware einsetzen.

Mit Simulink haben Sie folgende Möglichkeiten:

• Erstellung genauer Simulationsmodelle von Schaltnetzteilen, Wechselstrommotoren und anderen Lasten in den Verteilersystemen
• Durchführung einer Oberschwingungsanalyse zur Bestimmung des Klirrfaktors in der Schaltung
• Dimensionierung passiver Komponenten für Stromrichter zur Sicherstellung der gewünschten Signaleigenschaften, wie z. B. Welligkeit der Ausgangsspannung
• Entwurf digitaler Regelungen für diese Stromrichter unter Verwendung von Frequenzgängen und automatisierter PID-Parameterabstimmung
• Automatische Generierung von ANSI-, ISO- oder prozessoroptimiertem C-Code und HDL-Code für das Rapid Prototyping der Regelungen und ihre Implementierung für den produktiven Einsatz